特表 2023-526649 パルスプラズマを使用してガス混合物を変換するための方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-22

(54)【発明の名称】パルスプラズマを使用してガス混合物を変換するための方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/08 20060101AFI20230615BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20230615BHJP

【ＦＩ】

B01J19/08 E

H05H1/24

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022571267

(86)(22)【出願日】2021-05-20

(85)【翻訳文提出日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 FR2021050900

(87)【国際公開番号】W WO2021234302

(87)【国際公開日】2021-11-25

(31)【優先権主張番号】2005313

(32)【優先日】2020-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518039545

【氏名又は名称】サントラルスペレック

【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＡＬＥＳＵＰＥＬＥＣ

(71)【出願人】

【識別番号】505351201

【氏名又は名称】セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】パニエ，エルワン

【テーマコード（参考）】

2G084

4G075

【Ｆターム（参考）】

2G084AA14

2G084AA22

2G084BB06

2G084BB07

2G084BB25

2G084BB37

2G084CC08

2G084DD12

2G084DD21

2G084DD67

2G084FF32

2G084FF33

4G075AA03

4G075BA05

4G075BA08

4G075CA02

4G075CA47

4G075DA02

4G075DA18

4G075EA06

4G075EB41

4G075EC21

(57)【要約】

ガス混合物をより高い付加価値のガス混合物に変換するための方法であって、ガス混合物をパルスプラズマ反応器に注入するステップと、パルス放電を使用して２つの電極間に衝撃波を生成してガスを生成する解離ステップと、生成されたガスを、冷却および／または分離および／または収集することができる領域に放出するステップとを含む方法。解離ステップはまた、プラズマが反応器内の連続的なガス流によって吹き出される場合に、プラズマの受動的な再点火を提供するように設計される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス混合物の解離からガスを生成する方法であって、
第１の電極（１５）と、前記第１の電極（１５）に対向する逆極性の１つ以上の他の電極（１３）とを含むチャンバを規定する構造体（１２）を含むパルスプラズマ反応器（１０）にガス混合物を注入するステップと、
所与の極性の前記第１の電極（１５）と前記１つ以上の他の電極（１３）との間の等時性放電を使用して、前記ガス混合物を解離するステップと、
生成された反応性ガスを、前記解離ステップから、それらが冷却および／または分離および／または収集され得る領域に放出するステップと、
を含み、
前記第１の電極（１５）および前記１つ以上の他の電極が、可変電極間距離によって特徴付けられて点火領域（１）から形成される電極間ギャップを規定し、
前記解離ステップは、前記反応器（１０）に入るガス混合物の連続的な流動によって、前記反応器（１０）で生成されたプラズマが吹き出される場合に、プラズマの受動的再点火を提供するステップと、
を含み、
前記受動的再点火ステップは、前記連続的なガス流動（５）から保護された領域内の点火領域（１、ＡＭＯ）内で実行され、
前記保護された領域は、前記構造体（１２）内の絶縁ブロック（１４）の配置から生じ、前記連続的なガス流動（５）から保護されたプラズマの点火を可能にする電極間距離を有することを特徴とする方法。

【請求項2】

さらに、前記プラズマの受動的再点火ステップは、
前記プラズマの伝搬方向に、前記第２の電極（１５）と前記第１の電極（１３）に接続された前記構造体（１２）との間の距離を増加させ（２）、次いで減少させ（３）る、前記プラズマの伝播領域（２、３、ＰＲＯ）へ、前記点火領域（１、ＡＭＯ）の出口において前記プラズマが進入し、
次いで、前記伝播領域（ＰＲＯ）内の前記距離よりも小さい電極間距離（ｄ_４）を有する電場を生成するように配置された安定動作領域（４、ＳＴＡ）へ、前記プラズマが進入すること
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

さらに、前記解離ステップは、非対称衝撃波を生成するために、前記第１の電極と前記第２の電極との間にプラズマ放電を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

さらに、前記２つの電極（１３、１５）のうちの１つにおいて前記減電場の強度を増加させて、減電場非対称性を生成することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

さらに、前記電極（１３、１５）のうちの１つを加熱して、減電場非対称性を生成することを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

さらに、前記解離ステップは、ガスをイオン化するための２０ｎｓ未満の短時間の１３０Ｔｄを超える超高電圧信号と、励起された振動レベルまで分子を励起するための１ｓ未満の長時間にわたる５０～１００Ｔｄの高電圧信号とを組み合わせることによって、反復放電をコントロールするための１０ｋＶを超える高電圧信号を生成するステップを含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の製造方法を用いてガスを変換するためのシステム（Ｓ）であって、
第１の電極（１５）と、前記第１の電極（１５）に対向する逆極性の１つ以上の他の電極（１３）とを含むチャンバを規定する構造体（１２）を含むパルスプラズマ反応器（１０）と、
前記パルスプラズマ反応器（１０）にガスの実質的に連続的な流入を提供するように、前記パルスプラズマ反応器にガス混合物を注入するための手段（２１）と、
解離段階（ＤＩ）であって、解離段階は、入口でガスの前記流入を受ける前記パルスプラズマ反応器と、所与の極性の前記第１の長い電極（１５）と、前記第１の電極に対向する逆極性の前記１つ以上の他の電極（１３）と、を含み、前記第１の電極（１５）と前記１つ以上の他の電極とは、（ｉ）可変電極間距離によって特徴付けられる電極間ギャップを規定し、（ｉｉ）反応性ガスを生成するように、前記ガスの流動を等時性放電に供するように配置されている、解離段階と、
前記反応性ガスを冷却および／または分離および／または収集することができる領域に前記反応性ガスを放出するためのインターフェースと、
を含み、
さらに、前記構造体（１２）は、ガスの流動から保護された領域、いわゆる点火領域（１）を生成する絶縁ブロック（１４）を備え、前記プラズマ反応器（１０）に入る前記ガス混合物の連続的な流動によってプラズマが吹き出される場合に、点火領域の前記電極間距離（ｄ_１）が前記プラズマの受動的再点火を可能にすることを特徴とするシステム。

【請求項8】

前記パルスプラズマ反応器（１０）は、さらに、
プラズマの伝播方向に、前記第２の電極（１３）と前記第１の電極（１５）に接続された前記構造体（１２）との間の距離（２）を増加させ、次いで距離（３）を減少させる、伝播領域（２，３）として知られる領域と、
電場を生成するように配置された、安定動作領域（４）として知られる、前記伝搬領域内の前記距離未満の電極間距離（ｄ_４）の領域と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項9】

前記安定動作領域（ＳＴＡ）は、前記ガス流の方向に実質的に平行であることを特徴とする、請求項７または８に記載のシステム。

【請求項10】

前記安定動作領域（ＳＴＡ）は、前記ガス流の方向に対して実質的に横断することを特徴とする、請求項７～９のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項11】

さらに、前記反応性ガスの流動の方向をコントロールする手段を備え、前記方向をコントロールする手段は、前記２つの電極のうちの１つにおいて減電場を増加させる手段を備えることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか１項に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項12】

前記減電場を増加させる手段は、点効果電極を使用することを特徴とする、請求項７～１１のいずれか１項に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項13】

前記減電場を増加させる手段は、前記電極のうちの１つに含まれる加熱機構を使用することを特徴とする、請求項１１または１２に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項14】

さらに、ガスをイオン化するための２０ｎｓ未満の短時間の１３０Ｔｄを超える超高電圧信号と、励起された振動レベルまで分子を励起するための１ｓ未満の長時間にわたる５０～１００Ｔｄの高電圧信号とを組み合わせることによって、反復放電をコントロールするための１０ｋＶを超える高電圧信号を生成する手段を含むことを特徴とする、請求項７～１３のいずれか１項に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項15】

炭化水素とＣＯ２との混合物または炭化水素から気体状二水素を生成するために使用され、前記パルスプラズマ反応器の入口における前記炭化水素とＣＯ２との混合物または炭化水素の注入と、前記パルスプラズマ反応器の出口における気体状二水素の収集と、を含むことを特徴とする、請求項７～１４のいずれか１項に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項16】

前記等時性放電は、ナノ秒の反復パルス（ＮＲＰ）放電を含むことを特徴とする、請求項７～１５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項17】

前記反応性ガスを放出するための前記インターフェースは、
前記反応性ガスの急速冷却のための段階（ＦＱ）と、
前記反応性ガスの冷却後に生成された気体状二水素と一酸化炭素とを分離するための段階（ＳＥ）と、
を含むことを特徴とする、請求項１５または１６に記載のシステム（Ｓ）。

【請求項18】

二酸化炭素から酸素を生成するための、請求項７～１４のいずれか１項に記載のシステムの使用であって、前記パルスプラズマ反応器の入口における二酸化炭素の注入と、前記パルスプラズマ反応器の出口における酸素の収集とを含む、ことを特徴とする、使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はガス製造装置の分野に属し、特に、より高付加価値の製品を製造するための改質装置に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマ放電は、熱アプローチ（熱分解）、熱触媒アプローチ（改質反応）、または電気化学的アプローチ（電気分解）によって、ガス混合物をより高い付加価値のガス混合物に変換する電気物理学的代替物を提示する。

【0003】

文献ＵＳ ６，３９５，１９７ Ｂ１は、天然ガスおよび他の炭化水素から水素および元素状炭素を生成するための方法およびシステムを開示している。二原子水素および不飽和炭化水素は、高速急冷プラズマ反応器中で反応器ガスとして生成される。急速急冷の間、不飽和炭化水素は、反応器ガスを加熱することによってさらに分解される。所望の最終生成物を形成し、逆反応を防止するために、プロセスの異なる段階で他のガスを添加することができる。生成物は、多くの工業プロセスのための供給原料として粉末形態で使用することができる水素燃料および元素状炭素である。

【0004】

米国特許第５，４０９，７８４号明細書は電力を発生させるためのプラズマトロン－燃料セル装置を開示しており、プラズマトロンは炭化水素燃料を受け取り、炭化水素燃料を改質して水素リッチガスを生成する。

【0005】

パルスの使用は、非パルスプラズマと比較して加熱を低減しながら、同等の密度の反応種を有するプラズマを生成することを可能にする。この方法のエネルギー効率は改善される。

【0006】

これらの方法が高速ガス流中でプラズマ放電を使用する場合、ガス滞留時間は、特性イオン化時間に匹敵するか、またはそれより短くなり得る。この場合、化学反応が起こらず、プラズマが点火しない可能性がある。

【0007】

能動システムはプラズマを点火することがすでに知られており、これにより、破壊値を超える電場を増加させることが可能になる。これらの能動システムは、電極に印加される電圧の増加、ガス圧力の減少、ガス温度の増加、または可動機械システムによる電極間距離の減少を使用することができる。

【0008】

上記で提示されたこれらの能動システムは、産業上の制限を有する。それらはパルス発生プラズマには適しておらず、このことはそれらの有利なエネルギー効率から利益を得ることができないことを意味する。実際、圧力の低下および温度の上昇は、プロセスの中断を必要とする。電圧の増加は、電圧生成器の過大サイズ化（追加コスト）を必要とする。可動部品の存在は、追加のメンテナンスおよびシールコストにつながる。さらに、フィードバックシステムは、センサ、したがって、測定システム（電気測定、光学測定）、およびフィードバックのための処理回路を必要とする。

【0009】

国際公開第２０１３／０７８８８０号パンフレットは、（ｉ）炭素質材料を分解するための中空カソードであって、各段階が、冷却剤または冷媒流体をリサイクルすることによって冷却される中空カソードと中空アノードとを含む、中空カソードと、（ｉｉ）１つ以上の作動ガス入口と、（ｉｉｉ）原料としての炭素質材料およびキャリアガスのための１つ以上の入口と、（ｉｖ）アノードまたはカソードに接続された反応管とを含む、多段階プラズマ反応器システムを開示する。

【0010】

文献ＣＮ １０９６６３５５５ Ａは、パルスジェットプラズマによって温室効果ガスおよびバイオ炭を相乗的に変換するためのシステムおよび方法を開示している。内部電極と外側電極との間に形成された放電アークは、上昇するＣＯ２螺旋空気の流通によって駆動され、テーパノズルと空気分配プレートとを順次通行して、複数の均一に分配されたプラズママイクロジェットを形成する。マイクロジェットは、バイオ炭粒子を駆動して、気体－固体流動化反応領域を形成する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、従来の方法およびシステムよりも良好な動作継続性およびより低いメンテナンスコストを可能にするパルスプラズマガス変換のための方法およびシステムを提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この目的は、以下の工程を含む、ガス混合物からガスを生成する方法によって達成される：
ガス混合物をパルスプラズマ反応器に注入するステップと、
所与の極性の第１の長い電極と、前記第１の電極に対向する逆極性の１つ以上の他の電極との間の等時性放電を使用して、前記ガス混合物を解離するステップと、
生成された反応性ガスを、前記解離ステップから、それらが冷却および／または分離および／または収集され得る領域に放出するステップ。

【0013】

本発明によれば、第１の電極および１つ以上の他の電極は、可変電極間距離によって特徴付けられて点火領域および２つの他の領域から形成される電極間ギャップを規定し、解離ステップは、反応器内で生成されたプラズマが反応器内の連続的なガス流によって吹き出される場合に、前記プラズマの受動的再点火を提供するステップを含み、前記受動的再点火ステップは、前記連続的なガス流から保護された点火領域であって、前記連続的なガス流から保護されたプラズマの点火を可能にする電極間距離を有する、点火領域内で実行される。

【0014】

本発明によるシステム／方法で使用される再点火技術は受動的であり、したがって信頼性がある。

【0015】

解離反応器のこの構成は、高流動媒体における反応領域のコントロールが実際の問題点を引き起こし得るプラズマアシスト燃焼チャンバにおいても使用され得ることに留意されたい。

【0016】

プラズマの受動的再点火は、有利には、
前記プラズマの伝搬方向に、電極間距離を増加させ（２）、次いで減少させ（３）る、前記プラズマの伝播領域へ、前記点火領域（１）の出口において前記プラズマが進入し、
次いで、前記伝播領域内の前記距離よりも小さい電極間距離を有する電場を生成するように配置された安定動作領域（４）へ、前記プラズマが進入すること、
をさらに含むことができる。

【0017】

領域（１）から領域（２）、次いで領域（３）への通行は、有利には、等時性放電と呼ばれる衝撃波を生成する放電によって誘起される流動を使用することによって得られる。この衝撃波は、等時性放電によって受動的に生成される。

【0018】

本発明によるガス変換方法において解決される別の問題点は、プラズマ反応器内のガス流をコントロールすることの必要性である。

【0019】

ガスの流入（全体の流動）は、反応領域を通行することによって変換され（反応が、入ってくる材料を生成物に変換し）、それ自体の流動（誘起された流動）を生成する。反応の生成物が全体の流動の上流で対流される場合、それらは反応領域で再び変換され得、エネルギー効率は低下する。

【0020】

所与の極性の第１の電極と逆極性の他方の電極との間の解離ステップ中に生成されるこれらの等時性放電は、プラズマ放電における反応性ガスの流動の方向のコントロールに寄与する非対称衝撃波を生成する。

【0021】

本発明による好ましい実施形態では、衝撃波は、所与の極性の第１の電極と、逆極性または中性の他の電極との間で生成される、反復パルスナノ秒放電によって得られる。

【0022】

前記方向コントロールは、前記２つの電極のうちの１つにおける減電場（ｒｅｄｕｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）の増加を有利に含むことができる。

【0023】

減電場非対称性を生成するためには、電極のうちの１つに含まれる加熱もまた提供され得る。

【0024】

パルス放電によって引き起こされる衝撃波および関連する流体力学的膨張は、いくつかの科学的研究の主題であった［１］［２］［３］。本発明による方法の新規性は、得られる流動コントロールの安定性にある。

【0025】

プラズマ点火は減電場Ｅ／Ｎによって駆動され、ここでＥは電場であり、Ｎは単位体積当たりの分子数であることに留意されたい。Ｅ／Ｎは、タウンゼント（１Ｔｄ＝１０^－１７Ｖ・ｃｍ^２）で表される。

【0026】

衝撃波によって生成される流体力学は、２つの形態をとることができる：
拡散レジーム
放電によって生成される高温ガスの放出の存在を伴う、非拡散レジーム。

【0027】

本発明において、レジームは非拡散性でなければならない。Ｄｕｍｉｔｒａｃｈｅの理論［５］は、無次元数πに依存する非拡散レジームを達成するための基準を提供する：

【0028】

【数1】

【0029】

式中、Ｅはプラズマ中に熱形態で堆積されるエネルギーであり、ｄは電極間距離であり、Ｒは放電の半径であり、Ｐはガス圧力である。

【0030】

非拡散レジームでは、放電は、電極間軸を中心とする円筒形衝撃波と、電極の各々の前を実質的に中心とする２つの球状衝撃波とによってモデル化することができる衝撃波を生成する。軸対称初期状態では、球面衝撃波は同じ速度で拡散し、高温ガスはトーラスに沿って放出される。非対称初期状態では、２つの衝撃波の一方がより速く、高温ガスは、より速い衝撃波の側に放出される。

【0031】

衝撃波の伝搬速度は圧力勾配に比例する。等時性放電（エネルギー堆積＜＜流体力学時間）では、圧力勾配は放電終了時の温度勾配に比例する。等時性放電では、温度上昇は励起電子状態の前解離（超高速加熱）による。

【0032】

電子状態の励起は、減電場Ｅ／Ｎとともに増加する。したがって、２つの電極のうちの１つが最初はより高温である場合、減電場はより高くなる。その結果、励起、ひいては前解離がより高くなる。その結果、放電中の温度はより高くなり、したがって圧力はより高くなり、したがって衝撃波はこの電極でより速くなる。その結果、高温ガスは、高温電極の側面から排出される。電極は高温のままであり、したがって、安定性である。

【0033】

本発明の特定の例示的な実施形態では、電極のうちの１つの加熱が前記電極へのイオンの衝撃によって、および熱拡散の低減によって直接生成される。２つの電極のうちの１つの加熱は、この電極のために、低い熱拡散率を有する材料を選択することによって増加させることができる。

【0034】

一対の電極間に生成され、観察される２つの流体力学的レジームの形成につながる単一のナノ秒放電によって誘起される流動をコントロールする機構を理解するために、文献［６］を参照することが有用であり得る。

【0035】

ガス流の再循環が、衝撃波を発生する放電領域の近傍における種の時間的発達およびガスの温度に及ぼす影響を理解するために、文献［７］を参照することが有用である。

【0036】

可燃性混合物の点火のための２つのレーザパルスによって生成されるプラズマによって誘起される流体力学の数値研究については、文献［８］を参照することが有用であり得る。

【0037】

この方法では、電極の幾何学的形状および熱物理的特性がコントロールされて、誘起された流動を生成し、出て行くガスを、反応領域から離して流動全体の下流に対流的に導く。

【0038】

本発明によるガス変換方法を使用してプラズマ反応器の電極に印加される電圧信号を生成するための新規なアプローチも提案される。

【0039】

実際、プラズマは、放電において印加される減電場（Ｅ／Ｎ）（Ｔｏｗｎｓｅｎｄｓ： Ｔｄで表される）によって特徴付けられることが知られている。異なるタイプのプラズマ（マイクロ波、ナノ秒、ＤＢＤなど）は、減電場の異なる範囲に対応する。減電場の各温度範囲は、分子の異なる励起モードに対応する。

【0040】

プラズマによる分子（ＣＯ２、炭化水素）の解離は、十分な密度の電子の生成と、分子の振動エネルギーでのこれらの電子の励起の両方を必要とする。

【0041】

電子の生成は、強い電場（＞１３０Ｔｄ）でのイオン化によって得られる。分子の振動は中間電場（５０～１００Ｔｄ）に対して得られる。

【0042】

この目的は、１３０Ｔｄを超える減電場の電気パルスと、それに続く中間電場の電気パルス（５０～１００Ｔｄ）とを組み合わせることによって、強いイオン化と、それに続く分子の振動とを得るために、異なる信号を効率的な方法で組み合わせることである。

【0043】

また、前記解離ステップはさらに、ガスをイオン化するための短時間の超高電圧信号と、励起された振動レベルまで分子を励起するための中位の時間にわたる高電圧信号とを組み合わせることによって、反復放電をコントロールするための高電圧信号を生成するステップを含むことができる。

【0044】

本発明の別の局面によれば、本発明による製造方法を用いてガス混合物を変換するためのシステムであって、
パルスプラズマ反応器と、
前記パルスプラズマ反応器にガス混合物を注入するための手段と、
解離段階であって、解離段階は、入口でガスの前記流入を受ける前記パルスプラズマ反応器と、所与の極性の第１の長い電極と、前記第１の電極に対向する逆極性の１つ以上の他の電極と、を含み、前記第１の電極と前記１つ以上の他の電極とは、（ｉ）可変電極間距離によって特徴付けられる電極間ギャップを規定し、（ｉｉ）反応性ガスを生成するように、前記ガスの流動を等時性放電に供するように配置されている、解離段階と、
前記反応性ガスを冷却および／または分離および／または収集することができる領域に前記反応性ガスを放出するためのインターフェースと、
を含み、
前記パルスプラズマ反応器が、ガスの流動から保護された領域、いわゆる点火領域を備え、前記プラズマ反応器内の連続的なガス流によってプラズマが吹き出される場合に、点火領域の前記電極間距離が前記プラズマの受動的再点火を可能にすることを特徴とする、システムが提案される。

【0045】

本発明によるパルスプラズマ反応器は、有利には、
プラズマの伝播方向に、電極間距離を増加させ、次いで電極間距離を減少させる、伝播領域として知られる領域と、
電場を生成するように配置された、安定動作領域として知られる、前記伝搬領域内の前記距離未満の電極間距離の領域と、
を備える。

【0046】

所与の極性の第１の電極と逆極性の他の電極との間に生成される等時性放電は、反応性ガスの方向をコントロールすることに寄与する衝撃波を生成する。

【0047】

第１の電極は、有利には、点火領域または伝播領域において生成されるものよりも大きい減電場を安定動作領域において生成するように配置された点効果を有することができる。

【0048】

安定動作領域は、ガス流動の方向に対して実質的に平行であるか、またはガス流動の方向に対して実質的に横断するかのいずれかであり得る。

【0049】

この横断方向の構成では、水平に配置された反応器が考慮される場合、ガス流は、電極を通る実質的に水平な平面に垂直であるか、または電極を通る実質的に垂直な平面に垂直であり得る。

【0050】

本発明の好ましい構成では、変換システムはさらに、プラズマ放電中の反応性ガスの流動の方向をコントロールする手段を備えることができ、前記方向をコントロールする手段は、２つの電極のうちの１つにおいて減電場を増加させる手段を備える。

【0051】

減電場を増加させる手段は、点効果電極および／または、複数の電極のうちの１つに含まれる加熱機構を使用することができる。

【0052】

本発明による変換システムはさらに、ガスをイオン化するための２０ｎｓ未満の短時間の１３０Ｔｄを超える超高電圧信号と、励起された振動レベルまで分子を励起するための１ｓ未満の長時間にわたる５０～１００Ｔｄの高電圧信号とを組み合わせることによって、反復放電をコントロールするための１０ｋＶを超える高電圧信号を生成する手段を含むことができる。

【0053】

本発明のさらなる局面によれば、炭化水素とＣＯ２との混合物または炭化水素から気体状二水素を生成するための本発明によるシステムの使用であって、パルスプラズマ反応器の入口における前記炭化水素とＣＯ２との混合物または炭化水素の注入と、前記パルスプラズマ反応器の出口における気体状二水素の収集と、を含む使用が提案される。

【0054】

等時性放電は、有利には、ナノ秒の反復パルス（ＮＲＰ）放電を含むことができる。

【0055】

反応性ガスを放出するためのインターフェースは、
前記反応性ガスを急速に冷却するための段階と、
前記反応性ガスの冷却後に生成された気体状二水素と一酸化炭素とを分離するための段階と、
を含む。

【0056】

本発明のさらなる局面によれば、二酸化炭素から酸素を生成するための、本発明による装置のシステムの使用であって、パルスプラズマ反応器の入口における二酸化炭素の注入と、パルスプラズマ反応器の出口における酸素の収集と、を含むシステムの使用が提案される。

【0057】

本発明は、以下の図面によって示される説明に照らしてより良く理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】本発明による二水素製造システムの概要である。

【図2】本発明による二水素生成システムの例示的な実施形態の断面図である。

【図3】図２のより大きな図であり、システムの主要構成要素を示す。

【図4】本発明による二水素製造システムにおける解離段階の例示的な実施形態の部分断面図である。

【図5A】解離段階の第１の構成の部分断面図であり、安定領域はガス流を横断する。

【図5B】解離段階の第２の構成の部分断面図であり、安定領域はガス流を横断する。

【図6】解離段階内の点火、伝播、および安定領域の様々な位置を示す。

【図7】特性電極間距離を表す解離段階の拡大断面図である。

【図8】解離段階内で電極間距離の変動を提供する特性プロファイルの３つの実施例を示す。

【図9】反応器内のプラズマへの高温ガスの再注入の現象を概略的に示す。

【図10】この再注入現象を回避するように構成された解離段階の部分断面図である。

【図11】この再注入現象を回避するように適合された軸方向電極の３つの例示的な実施形態を示す。

【図12】本発明による二水素製造システムの電極に供給するための混合信号を生成するための装置の概要である。

【図13】図１２の生成装置の実用的な例示的実施形態の電気図である。

【発明を実施するための形態】

【0059】

本発明による二水素製造システムＳは、図１および図２に関連して、メタンＣＨ_４と二酸化炭素ＣＯ_２との混合物のようなガス流を入口で受け取る解離段階ＤＩと、超急冷段階ＦＱ（「急冷」）と、それに続く、二水素ガスＨ２と一酸化炭素ガスＣＯとの分離段階ＳＥとを含む。

【0060】

実用的な実施例として、この製造システムによって処理されるガス流は、約０．２ｍ^３／時または約３．５リットル／分であり得る。

【0061】

気体状入力ＣＯ２：ＣＨ４の化学量論については、バイオガスタイプの混合物に対応する比５０：５０～３０：７０を提供することができ、純メタンについては０：１００を提供することができる。

【0062】

図３を参照して、本発明による二水素ガス生成システムの実用的な例示的実施形態を以下に説明する。

【0063】

解離段階１０はステンレス鋼／アルミニウム合金製の円筒形の構造体１２を備え、構造体１２は、ガス流入（ＣＨ_４、ＣＯ_２）のための入口２１を有し、第１のチャンバ２０の出口の開口部２６の中央に配置されたカソードとして作用する第２の電極１５に対向するアノードとして作用する第１の電極１３を含む第１のチャンバ２０を規定する。このカソードは、タングステンから作製することができる。解離段階１０はまた、電極１３のための供給ケーブルを含むコネクタ１１を備える。構造体１２は、電極１３の高電圧供給による電気アークの発生を回避するように構成された絶縁ブロック１４を含む。

【0064】

出口の開口部２６は、解離されたガスが冷却領域ＦＱに入ることを可能にし、冷却領域ＦＱは、円筒形の外形および、開口部２６から冷却領域ＦＱの出口への流動の内径を連続的に増加させる円錐形の内形を有する構造体２３によって規定される第２のチャンバ２７から形成される。

【0065】

図２および図３を参照すると、二水素ガス生成システム１の第３段階ＳＥは、冷却段階ＦＱの出口に機械的に結合された円筒構造体２４と、半径方向排出ダクト２２とを備える。構造体２４内の分離チャンバ１９は、その端部に解離チャンバ２０内に延びる電極１５を有する電気供給ロッド２５によって軸方向に交差される。

【0066】

次に、図４～図８を参照して、本発明による二水素ガス製造システムの解離段階の実施例を説明する。

【0067】

この解離段階４０は、その端部に先細りの尖った形状を有するアノード１３と、アノード１３に対向し、実質的に丸みを帯びた端部を有し、解離チャンバの内壁に電気的に接続されたカソード１５とを備える。

【0068】

図４および図６を参照すると、解離段階内で、３つの特徴的な領域、最小電極間距離に対応するいわゆる点火領域１、ＡＭＯと、プラズマが点火直後であり、電極間距離がプラズマ伝播方向に増加している伝播開始領域２と、次いで、アノード１３の先端とカソード１５の端部との間に位置する安定領域４、ＳＴＡが後に続く、電極間距離が減少している伝播領域３、ＰＲＯと、を識別することができる。

【0069】

点火領域１の上流に位置する絶縁ブロック１４は２つの機能を有する：それは、電気アークの発生を防止し、それは、点火が行われる連続的なガス流５から保護されたこの領域１を形成する。

【0070】

図７に示すように、電極間距離は可変であり、点火領域１の最小値ｄ１から、電極１３の先端と電極１５の端部との間の安定領域４の値ｄ４まで、増加し、次いで減少する。

【0071】

次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ガス流が電極配置を横断する、本発明によるガス変換システムの解離段階の２つの構成を説明する。

【0072】

破線が流動領域を規定する図５Ａによって示される、水平に配置された反応器の解離段階５０Ａの第１の特定の構成では、ガス流５５Ａは、電極配列５３、５７の水平面に対して垂直に流れる。点火領域１は、流動５５Ａの流動の外側に位置し、したがって、このガス流から保護される。領域１における放電の間、各火花は、誘発された流動を左または右のいずれかに揺らすことができる。パルス周波数は高い（毎秒約１０００パルス）ので、正しい点火があるためには、右への（電極配列５３、５７の方向への）流動を可能にする火花を待つだけで十分である。電極配列５３、５７に向かってプラズマを駆動するために、小さな流動バイパスを設けることもできる。この誘起された流動は、流動５５Ａ内の伝播開始領域２にプラズマを配置することを可能にし、次いで、プラズマは、伝播領域３上を安定領域４までゆっくりと移動する。

【0073】

図５Ｂに示される水平に配置された反応器の解離段階５０Ｂの第２の特定の構成では、ガス流５５Ｂが電極配列５３、５７の垂直面に垂直に流動する。

【0074】

図８に示すように、伝搬領域のいくつかのプロファイルを考えることができる。プロファイルの効率は、周波数と温度に応じて選択される比ｄ１／ｄ４と数π（非拡散領域に関連する）とに依存する。

【0075】

図９～図１１を用いて、図９に概略的に示すように、生成されたガスのプラズマ中への再注入の問題点を解決することができる、本発明による二水素ガス生成システムの実施形態を説明する。

【0076】

したがって、反応器内のガス流をコントロールするために、本発明によるガス生成システムは、
図１０に示されるように、互いに対向する２つの電極１３、１５であって、衝撃波を生成するプラズマ放電（以下、等時性放電と称される）を生成するために、２つの電極の間に電場が生成される電極間領域を規定する電極と、
点効果電極を用い、電極１３に含まれる加熱機構によりおよび電極周囲の冷却機構を減少させることにより温度上昇を伴って、２つの電極のうちの１つにおいて高い減電場が促進される反応領域と、
を含む。

【0077】

衝撃波は、等時性放電によって受動的に生成される。

【0078】

次に、本発明によるガス混合物変換システムのパルスプラズマ反応器内の点火、伝播、および安定領域のための可能な幾何学的プロファイルを説明する。

【0079】

まず、理想的な一次元（１Ｄ）伝搬パターンは伝搬方向と角度αを形成する直線プロファイルであり、理想的な角度αは、パルス周波数および到達温度に依存することに留意することが重要である。しかしながら、開始時の点火は点効果に作用しなければならず、一方、プロセスの終了時の安定化は電極間ギャップを減少させることを必要とする。

【0080】

したがって、理想的な理論プロファイル［点火＋伝播＋安定化］は、点と２つの破線との組み合わせである。したがって、理論的プロファイルは実際には機械加工するのが困難であり、この理想的プロファイルと同じ接線（ｔａｎｇｅｎｔｓ）を使用するプロファイルが使用された。

【0081】

これに関連して、流動コントロールを提供するように設計された３つのカソード形状が図１１に示されており、以下の条件下を満たすことを目的としている：流動の向きを遮断しないこと、交換可能なカソード部品を提供すること、および容易に機械加工可能であること。

【0082】

第１の幾何学的形状（１１．１）では、カソード１５．１は、ロッド２５の端部に点の形態を有する。第２の幾何学的形状（１１．２）では、カソード１５．２は、急速冷却領域のより小さい直径部分に配置された有孔ディスクの形成を有する。第２の幾何学的形状（１１．３）では、カソード１５．３は、点火領域から安定領域まで延びる複雑な形状を有する。これらのカソード１５．２または１５．３は、付加的なプロトタイピングマシンを用いてタングステン材料から作製することができる。

【0083】

好ましい動作モードでは、衝撃波を生成するパルスプラズマは、１０ｋＶの電圧および５～５００ｋＨｚ、好ましくは１０～１００ｋＨｚの範囲の反復周波数を有するナノ秒反復パルス（ＮＲＰ）パルスによって生成される。

【0084】

次に、図１２および図１３を参照して、本発明によるガス生成システムのプラズマ反応器電極に印加される電圧信号を生成するためのシステムの例示的な実施形態を説明する。電圧信号は、所望の化学効果を達成するために分子の異なるエネルギーモードを励起するように、プラズマ放電を生成するための可変形状の高電圧信号の組み合わせから生じる。

【0085】

信号生成システム３０では、短パルスと称される、ガスをイオン化するための短時間（０～２０ｎｓ）の超高電圧信号（＞１３０Ｔｄ）と、長パルスと称される、振動レベルまで分子を励起するための長時間（０～１ｓ）の高電圧信号（５０～１００Ｔｄ）とを組み合わせる。長パルスは長パルス生成器モジュール３１によって生成され、短パルスはＮＲＰモジュール３２によって生成される。２つの信号は、混合モジュール３３と組み合わされる。

【0086】

生成システム３０は、
０～１秒の持続時間の高電圧パルス（以下、長パルスと称する）を生成し、インピーダンス適応を備えるＤＣモジュール３１と、
０～２０ｎｓの持続時間の高電圧パルス（以下、短パルスと称する）を生成し、インピーダンス適応えるＮＲＰモジュール３２と、
短パルスと長パルスを混合するためのモジュール３３と、
反応器１０の電極に実際に印加される信号に関する情報を提供する電圧プローブ３４と、
を含む。

【0087】

長パルス生成器モジュール３１は、１次ローパスフィルタによって実現される保護を備え、一方、短パルス生成器モジュール３２は、２次ハイパスフィルタによって実現される保護を備える。

【0088】

短パルス生成器モジュール３２は、＞１００Ｔｄの減電場および持続時間０～２０ｎｓを提供し、一方、長パルス生成器モジュール３１は、５０～１００Ｔｄの減電場および持続時間０～１ｓを提供する。

【0089】

信号生成システム３０は、長パルスの減電場がイオン化閾値を下回るように規定される。プラズマは亜臨界レジームにある。

【0090】

動力学的計算は以下を与える：
最適Ｅ／Ｎ場：９００Ｋの温度で５０Ｔｄまたは４ｋＶ／ｃｍ、１２００Ｋの温度で３ｋＶ／ｃｍ；
対象範囲：電圧［１－４ｋＶ］および［０．５－３０Ａ］。

【0091】

第１の実施例では、長パルス生成器３１は、電圧３ｋＶで最大電流１ＡのＤＣ（直流）生成器であり、短パルス生成器３２は、電圧１０ｋＶの高電圧ＮＲＰ生成器である。ＮＲＰ回路はＤＣから保護され、ＤＣ回路はＮＲＰから保護される。

【0092】

別の実施例では、短パルス生成器３２は、１０ｎｓナノ秒パルス生成器であり、長パルス生成器３１は、１μｓパルス生成器である。

【0093】

本発明は、説明した例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の多くの実施形態を考慮することができる。特に、本発明に記載された再点火技術は、プラズマアシスト燃焼装置またはスクラムジェット（超音速燃焼ラムジェット）にも使用することができる。

【0094】

〔文献〕
［１］
”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｌｙ ｐｕｌｓｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ａｉｒ” （２０１１） Ｄａ Ａ． Ｘｕ， Ｄｅａｎｎａ Ａ． Ｌａｃｏｓｔｅ， Ｄｉａｎｅ Ｌ． Ｒｕｓｔｅｒｈｏｌｔｚ， Ｐａｕｌ－Ｑｕｅｎｔｉｎ Ｅｌｉａｓ， Ｇａｂｉ Ｄ． Ｓｔａｎｃｕ， ａｎｄ Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｏ． Ｌａｕｘ．
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【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【国際調査報告】